Кислотность среды и буферные растворы

Обычно степень кислотности или щелочности той или иной жидкости, т.е. концентрацию в ней ионов водорода выражают величиной рН, которая численно выражается как отрицательный логарифм концентрации водородных ионов:

1.

рН = -lg[Н⁺] = lg[Н⁺]

Протоплазма большинства животных и растительных клеток содержит нейтральную смесь веществ кислого и основного характера, и поэтому имеют нейтральный рН, концентрация в ней водородных ионов составляет примерно 10-⁷ М, а величина рН, следовательно, 7. Поскольку шкала рН является логарифмической, то изменение рН среды с 7 до 6 будет означать то, что концентрация ионов водорода увеличилась в десять раз. Обычно в живых клетках таких сдвигов не наблюдается, поскольку даже незначительное изменение концентрации водородных ионов (в пределах 0,3 - 0,4 единиц/рН) влияет на клетку губительно. Это связано с тем, что большинство ферментов имеют узкий оптимум рН, в котором они способны катализировать протекающие химические реакции. Поэтому даже незначительные изменения концентрации водородных ионов внутри клетки существенно изменяет весь ход метаболических преобразований.

Отсюда вытекает, что при работе с биологическими объектами (клеткой, мембраной клетки, внутриклеточными органеллами) необходимо создавать им условия, приближающиеся по многим показателям к условиям, наблюдающимся в целостной клетке или ткани (температура, концентрация водородных ионов или других соответствующих ионов).

Для поддержания постоянства концентрации водородных ионов при проведении биофизических и биохимических исследований пользуются буферными растворами. Буферным раствором называется раствор, который препятствует изменению концентрации ионов водорода при добавлении к нему небольших количеств кислоты или основания.

Для получения буферного раствора обычно готовят смесь слабой кислоты и основания (либо соли этой кислоты). При добавлении к такому раствору ионов водорода, последние нейтрализуются анионами соли, действующими как слабое основание, а гидроксильные ионы, напротив, нейтрализуются кислотой. Таким образом, буферный раствор сдерживает изменение рН.

Наиболее важными характеристиками буферного раствора являются его буферная емкость и рН.

БУФЕРНАЯ ЕМКОСТЬ определяется количеством кислоты или основания, которое способен нейтрализовать буферный раствор до начала резкого изменения рН или, иными словами, количеством кислоты или основания которое необходимо добавить для изменения рН раствора на одну единицу:

db.

В = d(рН),

где d (рН) - изменение рН раствора при добавлении db основания. Наглядно это можно показать на примере:

рассмотрим буферную смесь, которая состоит из слабой кислоты НХ и соли этой кислоты MX, где М - какая-то нейтральная частица, дающая ионы К⁺, Na⁺ и т.п.

Равновесие диссоциации кислоты описывается уравнением:

НХ Н⁺ + Х^-

Соответственно константа диссоциации этой кислоты выражается:

[Н⁺] [Х^-]

Ка = [НХ]

Прологарифмируем это выражение:

[Х^-].

lg Ka = lg [H⁺] + lg [HX]

и умножим обе части на -1:

[Х^-].

-lg Ka = -lg [H⁺] - lg [HX]

Так как

-lg Ка = рКа, а -lg [Н⁺] = рН, то

[Х^-]

рК = рН – lg [НХ]

или в общем случае: